Лекция №8 КДИ –сканеры

1.     Принцип действия КДИ сканера.

2.Особенности применения объективов и источников освещения.

3.Сравнительная характеристика  ПЗС и КДИ сканеров.

4.Слайд-модули и слайд-сканеры.

1.Принцип действия КДИ сканера

На рис. 1 изображено устройство КДИ- сканеров.

Рис. 1. 1- сканирующая каретка; 2- источник освещения (светодиоды); 3- линзы; 4- КДИ- матрица.

Рис. 2. КДИ-сканер CanoScan N650U

КДИ-матрицы используются уже довольно долгое время в устройствах типа факса. Однако в сканерах их начали использовать совсем недавно. Первые серийные планшет­ные сканеры, основанные на этой технологии, были выпу­щены в 1998 году. Главной деталью КДИ-сканера, как и любого планшетного, является сканирующая головка. Ска­нирующая головка состоит:

- из источников света — светодиодов;

- цилиндрической линзы (набора линз);

-         печатной платы, на которой находятся чувствительные элементы (датчики), видеоусилитель, регистры и буферы. Подробная схема устройства головки изображена на рис. 3.

Рис 3.Устройство сканирующей головки. 1- набор светодиодов; 2- линзы; 3- фотоэлементы; 4-  регистр сдвига; 5- видеоусилитель; 6- выход (АЦП).

Излучение, идущее от светодиодов, отражается от оригина­ла и, пройдя через линзу, фокусируется на датчике изобра­жения. Датчик изображения — фототранзисторы, сделан­ные на основе МОП (аналогично ПЗС). В результате получается аналоговый сигнал, который усиливается в ви­деоусилителе и поступает на вход АЦП.

Датчик изображения обычно состоит не из одной, а из не­скольких линеек, последовательно соединенных в одну. Отсутствие оптической системы налагает свои ограничения на такую технологию. Если, например, полный датчик изоб­ражения длиной 216 мм (формат А4) состоит из 27 мень­ших датчиков, каждый из которых имеет 96 светочувствитель­ных элементов (одно из лучших значений), то в результате получится 12 элементов на миллиметр, что в пересчете на дюймы дает 300 элементов на дюйм.

Для сканирования полноцветного изображения используются три светодиода на один элемент датчика: красный, зеленый и синий, — которые при сканировании включаются по очереди.

В некоторых моделях сканеров встречаются головки, выполняющие полноцветное считывание за один раз. Достигается это за счет ис­пользования специальных светофильтров на интегрированных схе­мах. В качестве источника освещения в данном случае используются не светодиоды, а лампы с холодным катодом.

3.Особенности применения объективов и источников освещения

Источник освещения. В КДИ-модификациях сканеров источник освещения заме­няется светодиодами. При этом для цветного сканирования возникает необходимость в трех светодиодах на пиксел, в соответствии со стандартным разложением цвета RGB. Зер­кала и объектив в КДИ-сканерах не представлены, так как эта технология обеспечивает прямую проекцию полной повер­хности рабочей области прямо на считывающую матрицу.

Во многих профессиональных планшетных сканерах уста­новлен не один, а несколько объективов, что позволяет переключаться с одного на другой и таким образом зна­чительно повысить оптическое разрешение, хотя при этом уменьшается рабочая область. Реализована эта возмож­ность следующим образом: при сканировании полной ра­бочей области объектив проецирует ее полную ширину на полную длину ПЗС-линейки. Например, если при фокуси­ровке один дюйм проецируется на 600 элементов ПЗС-линейки, то разрешение будет 600 ppi. Если на те же 600 элементов с помощью другого объектива фокусировать полдюйма, то разрешение, соответственно, увеличится вдвое — до 1200 ppi. Такая конструкция дает возможность получать очень высокое оптическое разрешение, однако при максимальном разрешении рабочая область становится очень малой.

Например, модель ScanMate F8 Plus с разрешением 4000 ppi дает возможность сканировать оригинал, ширина которого не больше 54,9 мм. Для этой же модели разрешение на пол­ной рабочей области (279,4х430,8 мм) — 700 ppi.

Линза. В ПЗС- и КДИ-сканерах линза играет несколько раз­ные роли. В ПЗС-сканерах свет, идущий от оригинала, по­падает с помощью зеркал на линзу-объектив (или прямо на призму), которая проецирует ширину рабочей области скане­ра на ширину ПЗС-матрицы. При этом к качеству и точнос­ти настройки линзы объектива (или призмы) предъявляют­ся весьма высокие требования, особенно при проецировании краев рабочей области сканера.

В наиболее мощных моделях планшетных сканеров исполь­зуются два и более объективов, причем режимы их исполь­зования можно переключать. При этом помимо главного (то есть обычного) режима доступны усиленные режимы, когда один из дополнительных объективов проецирует на полную поверхность ПЗС-матрицы только часть полной рабочей поверхности сканера. Таким образом, для изобра­жения меньшего размера использовано такое же количе­ство точек (элементов) ПЗС-матрицы, как и для полного, то есть увеличивается качество сканирования (оптическое разрешение). В КДИ-сканерах может быть не одна линза, а много — по количеству элементов линейки фотоприемни­ка. Каждая из них играет роль маленького проектора, кото­рый фокусирует попадающий на него свет на соответству­ющий фотоэлемент.

Разберем для наглядности характеристики сканера класса SOHO (Small Office, Home Office) Agfa SnapScan 1212u.

ПЗС: цветная, 5100 элементов. Сканирование производится по технологии ПЗС (CCD), причем линейка ПЗС — цветная. Количество элементов — стандартное для сканера такого класса (для профессиональных сканеров сейчас — 8640 элементов).

Число проходов: 1 (трехпроходные сканеры сейчас практически отсутствуют на рынке).

Формат в отраженном свете: 216х297 мм (8,5х11,7"). Формат несколько больше А4 (210х297 мм). Форматы рабочей области сканеров могут варьироваться, но почти всегда они лежат близко к какому-либо стандартному фор­мату.     

Оптический диапазон: 1,8D.Довольно низкий диапазон, но для домашнего использования вполне пригоден.

Глубина цвета: 36 бит. Здесь указана внутренняя разряд­ность. Внешняя почти всегда равна 24 битам для совмести­мости с программным обеспечением.

Скорость сканирования: серый — 3,7 мс/линия, цвет - 11,1 мс/линия. Эта характеристика не имеет практического значения, так как здесь не учитывается время передачи дан­ных по интерфейсу и производительность компьютера, от которой тоже зависит скорость считывания.

Интерфейс: USB. Сканер рассчитан на шину USB, а с ней необходимо соблюдать аккуратность, так как существу­ют USB-сканеры, не поддерживающие плату расшире­ния USB и работающие только с портом USB на главной плате.

Размеры: ширина 330 мм, высота 105 мм, глубина 450 мм. Вес: 4кг.

Лампа: cold cathode, автоматическое отключение. Лампа — с холодным катодом, после некоторого времени бездей­ствия отключается для экономии электроэнергии.

Готовность к работе: — Под готовностью сканера к ра­боте подразумевается время его «нагрева» после включе­ния. Данный сканер не требует времени для прогрева.

Температура: 10-40 °С; влажность: 20-85%. Характерис­тики окружающей среды, при которых сканер будет нор­мально работать. Если предполагается использовать ска­нер в каких-либо нестандартных условиях, на этот параметр следует обратить внимание.

Совместимость: Windows 98, MacOS withe iMac. На совме­стимость тоже необходимо обратить внимание, так как от нее строго зависят рамки совместимости. Например, драйве­ры сканера, работавшие под Windows 98, могут отказаться работать под Windows ME.

3.     Сравнительная характеристика  ПЗС и КДИ сканеров

В связи с быстрым развитием и широкой рекламой КДИ-технологии возникает вопрос: а так ли хороши эти сканеры? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим основные осо­бенности этой технологии и сравним характеристики.

Если сравнить основные характеристики, результат явно ока­зывается в пользу ПЗС-технологий. Однако и у КДИ-сканеров есть свои преимущества. Среди положительных сто­рон этих сканеров необходимо отметить следующие:

- Меньшие габариты. Сканеры, использующие техноло­гию КДИ, имеют меньшие размеры и вес, чем сканеры на основе ПЗС.

- Меньшая стоимость. Вместо объектива, зеркал, призмы и самого фотоэлемента в этих сканерах используется только КДИ-линейка, что позволяет значительно сни­зить стоимость сканеров такого типа.

- Меньшая потребляемая мощность. Это достигается за счет применения светодиодов вместо лампы с холодным катодом. Если для ПЗС-сканера нормальная потребляе­мая мощность 12 Вт, то для КДИ-сканера — 2,5 Вт.

- Равномерность качества. Для ПЗС-сканеров качество сканирования может существенно различаться в центре рабочей области и по краям. Этот эффект является следствием недостатков фокусировки оптической систе­мы и неизбежен для любых приборов, в которых исполь­зуется объектив (например, в обычных фотоаппаратах). В КДИ-сканерах качество сканирования абсолютно рав­номерно, так как оптическая система отсутствует.

- Работа в экстремальных условиях. КДИ-сканеры гораз­до менее чувствительны к внешним условиям. Напри­мер, некоторые модели сканеров могут работать, стоя на ребре (в таком случае для устойчивости им необхо­дима специальная подставка).

В основном положительные стороны КДИ-сканеров объяс­няются отсутствием оптической системы. Однако в целом они достаточно поверхностные, и большинство из них не связаны с качеством изображения. В этом отношении ПЗС-сканеры явно выигрывают в следующем.

-  Лучшая глубина резкости. Глубина резкости КДИ-ска­неров ±0,3 мм, тогда как для сканеров с ПЗС она равна ±3 мм. Это означает, что трехмерные предметы, находя­щиеся на расстоянии 3 мм от общего уровня, будут нор­мально отсканированы ПЗС-сканером, а изображение, полученное КДИ-сканером, будет нерезким и размытым. На практике такими предметами зачастую являются раз­вернутые толстые книги.

- Дольше срок службы. Сканер на основе ПЗС обеспечи­вает стабильное и неизменное качество в течение 10 000 часов работы, тогда как у КДИ-сканеров после 500 ча­сов работы происходит падение яркости на величину до 30%.

- Лучшая чувствительность к оттенкам. ПЗС-сканеры различают уровни оттенков с погрешностью ±20%, в то время как КДИсканеры — ±40%. Соответственно, передача деталей у ПЗС-сканеров будет значительно лучше.

Меньшая чувствительность к посторонней засветке. Это преимущество связано с тем, что ПЗС-линейка невели­ка по длине, и благодаря системе зеркал «лишний» свет на нее не проецируется. В КДИ-сканерах линейка зна­чительно больше, оптическая система практически отсутствует, поэтому любое лишнее освещение сразу зна­чительно влияет на результат сканирования.

-Разрешение сканера. Максимальное разрешение профес­сиональных ПЗС-сканеров на данный момент — 3000 ppi, тогда как для КДИ-сканеров верхний предел — 690 ppi.

4.     Слайд-модули и слайд-сканеры

Большинство планшетных сканеров предназначено для ска­нирования непрозрачных оригиналов. Даже самые лучшие из таких сканеров сами по себе несмотря на высокие раз­решение и динамический диапазон не дадут приемлемого качества при сканировании прозрачных материалов (нега­тивов, слайдов). Конечно, существуют слайд-сканеры, но цена их намного выше, а возможность сканирования не­прозрачных оригиналов у них отсутствует. Поэтому и по­явилась необходимость в дополнении обычного планшет­ного сканера модулем для сканирования слайдов.

Сегодня большинство сканеров, которые заявляются как 30 битные, либо стандартно комплектуются слайд-моду­лями, либо имеют возможность установки этих модулей.

Существует несколько конструктивных решений слайд-модуля.

 «Зеркало». Такой слайд-модуль — это просто зеркало, устанавливаемое с внутренней стороны крышки скане­ра. В данном варианте свет от лампы попадает на зерка­ло, после чего его принимает фотоэлемент. По качеству этот вид слайд-модулей значительно уступает остальным вариантам, однако и цена его невысока.

«Рассеивающее стекло». Эта конструкция выполнена в виде лампы, расположенной на внутренней стороне крышки сканера. По замыслу освещение, создаваемое лампой, должно быть равномерным по всей поверхнос­ти сканирования. Однако обычно этого достичь не уда­ется, поэтому область более или менее качественного сканирования не превышает 10х15 см. При сканирова­нии с таким модулем необходимо обратить внимание на равномерность освещения, так как слайд, отсканиро­ванный в этой области, будет иметь лучшее возможное при такой конструкции качество.

 «Подвижная лампа». В этой конструкции модуля под­вижная лампа встраивается в верхнюю крышку скане­ра. Иногда крышка с лампой делается съемной. Лампа при сканировании движется параллельно считывающей головке сканера,  поэтому головка считывает свет, про­шедший через слайд, а не отраженный. Такая конструк­ция дает самое лучшее качество, поскольку освещение получается реально равномерным. С помощью этого модуля можно сканировать даже сильно затемненные слайды, увеличив яркость лампы.

Для любого варианта конструкции слайд-модуля качество сканирования все же сильно зависит от сканера. Минималь­ная глубина цвета для работы с прозрачными оригинала­ми — 30 бит, оптическая плотность должна быть не ниже 3,OD, а оптическое разрешение — как минимум 600 ppi. Очень важен также вопрос совместимости слайд-модуля и сканера. Нет никакого стандарта для слайд-модулей, поэтому большинство производителей сканеров поставляют слайд модули либо в комплекте сканера, либо отдельно. Но и тут не всегда гарантирована полная совместимость, поэтому всегда надо обращать на это особое внимание.

Слайд-сканеры. Несмотря на то, что все преимущества на стороне цифровых камер, многие люди продолжают использовать обычные фо­тоаппараты. Соответственно, растет потребность в каче­ственном сканировании пленок и негативов. Сканирование таких оригиналов с помощью барабанных сканеров дает очень высокое качество, обычно не требуемое и потому неоправданно дорогое. Если же сканировать с помощью планшетного сканера со слайд-модулем, то качество может оказаться слишком низким. Поэтому и растет рынок слайд-сканеров, созданных для сканирования только прозрачных оригиналов.

Рис 35 миллемитровый слайд-сканер

По принципу действия обычный слайд-сканер практически аналогичен планшетному сканеру. Основным различием яв­ляется то, что у слайд-сканеров осветитель и фотоприем­ник находятся по разные стороны от сканируемого ори­гинала. Это и дает возможность сканировать прозрачные изображения.

Главной проблемой при сканировании слайдов и пленок является их широкий диапазон оптических плотностей — 2,9-4,0. Соответственно, для такого типа сканеров качество ПЗС-матрицы должно быть значительно выше, чем для планшетных сканеров среднего класса. Поэтому минималь­ный динамический диапазон слайд-сканеров — от 3,OD и выше, а для хороших слайд-сканеров — от 3,4D и выше. Это значение — минимальное, при котором результат ска­нирования негатива будет качественным. Для достижения такого широкого диапазона необходима внутренняя разряд­ность как минимум в 30 бит, а для сканеров классом выше — 36 бит, а иногда и 48. Это обеспечивает более эффективное отсечение шумов, возникающих как на АЦП, так и прямо на ПЗС-матрице. Важную роль играет и малый размер пле­нок: для получения приличного качества необходимо вы­сокое оптическое разрешение. Для слайд-сканера среднего класса нормальным является разрешение 2000 ppi. Однако, если есть необходимость вывести результат сканирования 35-миллиметровой пленки, например, на формат А4, то тако­го разрешения не хватит — необходимо, как минимум,  2500 ppi. При этом существуют такие слайд-сканеры, которые (аналогично планшетным со сменными объективами) могут обеспечить максимальное разрешение только на пленках 35 мм, а для оригиналов больших размеров — снижают его.

Самые дешевые слайд-сканеры обычно предназначены толь­ко для сканирования фотопленок, более профессиональные модели комплектуются наборами рамок разного формата. Иногда в комплект включаются планшеты на несколько оригиналов или даже устройство автоматической подачи слайдов.

Аналогично барабанным сканерам в высококачественных моделях слайд-сканеров используются DSP.